论文部分内容阅读
摘要：半潜船在船体结构、船体形状和装卸方式上存在诸多特殊性，在风浪中航行的安全性尤其重要。本文分别从船舶在波浪中的稳性理论、大幅横摇运动计算、倾覆概率预报、安全性模糊评价四方面归纳、分析了半潜船航行安全性研究的方法，为进一步深入研究和制定半潜船稳性规范提供借鉴。
关键词：半潜船 波浪中稳性 倾覆概率预报 模糊评价
半潜船（Semi-submersible ship）也常常被称之为“浮装”船或“浮装浮卸”船，这种船的明显特点是在船首领航员舱和机舱（上层建筑）之间设有既长又低且承重能力强、平展的甲板，并设有大容量的压载水舱。压载水舱充水后，可以使船舶主甲板沉入水面之下，以便于石油钻井平台、其他船舶或其他运输对象漂浮移动到半潜船的甲板上方。排除船舱内的压载水，使船浮起，甲板露出水面，经过固定绑扎所装运的特重大件后即可航行运输。船舶载货后，一般重心较高、稳性较差，需对稳性进行准确核算。航行于海上的半潜船由于受风浪影响，稳性会比静水航行状态降低，易产生较大的横摇，这对半潜船航行安全以及所载运特重大件的绑扎加固产生重大影响，因此研究半潜船在风浪中航行的安全性有着重要的现实意义。然而，由于半潜船风浪中航行安全性涉及环境条件、船舶技术条件和操作要素等许多要素，故而这方面的研究相当复杂。至今还没有形成一个能够综合考虑船型特点、环境条件和倾覆机理等相关因素的理论上成熟的稳性衡准规范。基于此，下文试图归纳、分析、探索半潜船风浪中航行安全性评估方法。
波浪中的稳性
船舶稳性主要是指船舶在静水中的稳性，波浪的影响只是间接地考虑，并基于这种考虑而提高对船舶在静水中的稳性要求。但是，很多船舶倾覆事故的记录分析表明：在随浪或尾斜浪中，船舶受到不大的风有时也会发生倾覆。这一现象对于受风面积很大的半潜船而言特别重要，它涉及到船舶在波浪中的运动和安全性问题。
船舶作为一个刚体在波浪中受到扰动后，将产生六个自由度的摇荡运动。影响给定装载情况下的船舶GZ曲线形状的主要因素是船舶在波浪中的垂荡运动。当船舶在横浪中作横摇运动时，垂荡的耦合作用很弱；当船舶随浪作横摇运动时，横摇和垂荡的耦合作用较大，故船舶随浪航行对GZ曲线典型形状产生影响。如果随浪航行时波速接近船速，且波长接近船长，那么将产生两种极端情况：①波峰在船中部。②波谷在船中部。
当波峰在船中部时，船舶稳性比静水中的稳性降低；当波谷在船中时，船舶稳性比在静水中的提高。纯稳性损失是造成船舶倾覆的主要原因之一。因此，研究半潜船风浪中航行的安全性和稳性规范，应该考虑波浪对船舶稳性影响。此外，半潜船遭遇大风浪大角度横摇时，由于其结构的特殊性，会出现主甲板装载货物部分结构入水的情况。货物部分结构入水，也将对稳性曲线的形状产生重大影响。
多年来，船舶在波浪中的稳性研究方面取得的理论研究成果，可以引入到半潜船航行安全性的研究中，并提出衡量半潜船波浪稳性的3点建议：①半潜船在波浪中的初稳性高必须考虑垂荡耦合运动的修正。②校核半潜船稳性时，充分考虑船舶随浪航行状态下波长接近船长时，且波峰在船中这一状态对船舶稳性曲线的影响。③校核半潜船稳性时，充分考虑货物入水对船舶稳性曲线的影响。
船舶的横摇
现行的稳性衡准是以确定性的力学分析理论对初稳性高度及静稳性曲线的某些静态特性作一些限制，其在船舶倾覆的动态特性上的不足是很明显的。
通过对横摇运动的研究，可以确定船舶倾覆的条件。在这方面最早作出贡献的是Euler，Froude和Krylov等人。Euler提出了静水中不计阻尼的船舶横摇运动方程式。Froude推导出了规则横浪上船舶横摇运动方程式。Krylov提出了著名的Froude-Krylov（傅汝德—克雷洛夫）假设。这个假设认为：船体表面水压力分布不受船舶运动的影响，浮力近似于在不受扰动的波浪中的值。Krylov在这一假设的基础上进一步发展了横摇运动理论。随着对波浪中航行状态下船舶稳性的研究，船舶横摇运动方程也得到了进一步的研究。徐德嘉和周庆根研究了非线性的单自由度横摇模型，利用Taylor级数展开和横摇激振试验方法确定了非线性横摇精确模型。林焰、纪卓尚从船舶稳定性角度出发，研究了船舶在波浪中的横摇运动，建立了单自由度的非线性横摇运动方程。Hua Jianbo计算了规则波和不规则波中巡洋舰的横摇运动性能，着重阐述了大幅横摇运动问题。
国内外这方面的研究成果很多。问题主要是不同的研究者在其非线性方程中采用了各自认为合适的非线性阻尼和恢复力系数，相互之间存在很大差别。因此正确选取阻尼和恢复力必须引起足够的重视。在研究半潜船的航行安全性时，可以借鉴其中比较成熟的理论，利用多种方法计算出半潜船的横摇振幅，取其中最大者作为衡量稳性的横倾角，然后再确定最小倾覆力臂等稳性要素。特别是利用计算机进行数值模拟，应该可以取得令人满意的结果。
船舶非线性横摇的研究已经取得很多成果，对于半潜船的横摇问题可以借鉴这些成果来帮助解决问题。可对半潜船横摇问题的提出的两点建议：①在非线性大幅横摇的性态下研究半潜船的横摇运动，应把风浪中稳性损失结合进去，从而考虑实时的扶正力矩的影响。②共振状态的横摇运动是导致半潜船倾覆的重要因素。目前以共振状态的方程系数值作为研究的出发点基本可行。但非线性大幅横摇运动是时间过程，其描述方程的系数是随时间变化的，理应考虑完全的时域方程。建议如海洋工程那样，用卷积方法建立完全时域方程进行时域分析。
随机波浪中的倾覆概率预报
在利用确定性方法研究非线性横摇导致倾覆的机理方面，已取得了长足的进展。但在风浪中船舶的倾覆问题是—个复杂的问题。除非线性外，还具有随机性。由于在实际的海洋环境中存在大量的随机因素：不规则的波浪和风，船舶与风和浪相应的速度和方向，以及货物移动等。因此，它是典型的随机事件，因而概率统计方法被引进了船舶运动及其倾覆的研究。
进行船舶倾覆概率预报，最常用的便是谱分析法。20世纪70年代初，英、美、荷、德等国海洋学者通过“北海联合计划”测得的波浪谱——Jonswap谱，国际船模试验水池会议（ITTC)推荐的波浪谱——P-M波谱，以及文氏风浪谱等。我国海洋学家文圣常教授等人从海浪的基础理论出发，参考最新科研成果，提出以峰度因子作为海浪成长状态参量的理论风浪频谱。然后推导船舶横摇运动微分方程并将其等效线性化，从而用谱分析法进行统计计算。用迭代法解等效线性化方程可以得到线性化横摇响应幅值算子，继而求得非线性横摇的谱密度和非线性横摇的方差。在确定风浪谱的基础上，再用某种概率密度函数来表示横摇极值的分布（一般设横摇服从高斯分布）。在不稳定区域内对船舶横摇极值进行积分，便可得到每次横摇的倾覆概率。
给出一个在随机横浪和非定常风的联合作用下半潜船倾覆概率的实用计算方法，是研究半潜船波浪中安全性的很好的思路。但是这种方法也存在缺陷，即只适用于阻尼为线性项的情形。对大幅横摇，不仅阻尼项包含非线性，而且特别强非线性出现在扶正力矩项上。这时即使扰动是稳态的、各态历经的，输出也不一定是稳态的、各态历经的，无法简单地推广谱分析方法对大幅非线性横摇进行预报。
大幅横摇运动理论是非线性条件下，建立在线性迭加原则基础上的谱分析方法，现有绕开平稳各态历经假设的作法过于繁杂困难，建议开展这方面的基础研究，建立一个随机非线性系统的理论。同时建议从随机风浪环境出发，发展包括非线性扰动的随机分析方法，建立具有一定工程准确度的大幅横摇导致倾覆的概率预报模型。
采用模糊数学方法进行综合评估
海上交通工程学认为，交通系统是由人—船（机）—环境三要素组成的，三要素中某一个或任意两个或三个相互作用出现问题，就可能导致交通事故。半潜船在海上航行时，其安全性涉及到众多的因素。这些因素构成了一个系统，即半潜船航行系统。系统安全评价，是对系统存在的危险性进行定性和定量分析，得出系统发生危险的可能性及其程度的评价，以寻求最低事故率，最小的损失和最优的安全投资的效果。
这种研究方法，一般是先分析评价因素，确定评价指标，然后再建立评价模型，关键是评价因素的分析和评价指标权重的获取以及评价结果隶属度的确定。对于半潜船，宜采用预先安全性分析的方法，分析半潜船在航行时的潜在危险因素和产生危险的程度，确定出影响安全的主要决定因素，建立二级模糊综合评判模型。从安全角度进行综合评价，具有较强的实际意义，基本符合半潜船在海上航行安全评估的实际需要。
前文中讨论的艉斜浪中船舶安全性评估的研究也可以应用模糊数学方法，依据船模倾覆试验的结果，形成引起船舶倾覆主要危险因素带来的危险程度的隶属函数，建立艉斜浪中操船航行发生倾覆危险的评估模型，对船舶的安全操纵和航行具有积极的指导意义。
采用模糊评估方法进行半潜船风浪中航行安全性的分析和评价是可行的，但采用这种方法评估结果的可信度取决于各项评价指标权重选取的合理性和隶属函数的合理性及其精确程度。进一步完善这种评价模型并开发安全评价的应用软件很有发展前景。
关键词：半潜船 波浪中稳性 倾覆概率预报 模糊评价
半潜船（Semi-submersible ship）也常常被称之为“浮装”船或“浮装浮卸”船，这种船的明显特点是在船首领航员舱和机舱（上层建筑）之间设有既长又低且承重能力强、平展的甲板，并设有大容量的压载水舱。压载水舱充水后，可以使船舶主甲板沉入水面之下，以便于石油钻井平台、其他船舶或其他运输对象漂浮移动到半潜船的甲板上方。排除船舱内的压载水，使船浮起，甲板露出水面，经过固定绑扎所装运的特重大件后即可航行运输。船舶载货后，一般重心较高、稳性较差，需对稳性进行准确核算。航行于海上的半潜船由于受风浪影响，稳性会比静水航行状态降低，易产生较大的横摇，这对半潜船航行安全以及所载运特重大件的绑扎加固产生重大影响，因此研究半潜船在风浪中航行的安全性有着重要的现实意义。然而，由于半潜船风浪中航行安全性涉及环境条件、船舶技术条件和操作要素等许多要素，故而这方面的研究相当复杂。至今还没有形成一个能够综合考虑船型特点、环境条件和倾覆机理等相关因素的理论上成熟的稳性衡准规范。基于此，下文试图归纳、分析、探索半潜船风浪中航行安全性评估方法。
波浪中的稳性
船舶稳性主要是指船舶在静水中的稳性，波浪的影响只是间接地考虑，并基于这种考虑而提高对船舶在静水中的稳性要求。但是，很多船舶倾覆事故的记录分析表明：在随浪或尾斜浪中，船舶受到不大的风有时也会发生倾覆。这一现象对于受风面积很大的半潜船而言特别重要，它涉及到船舶在波浪中的运动和安全性问题。
船舶作为一个刚体在波浪中受到扰动后，将产生六个自由度的摇荡运动。影响给定装载情况下的船舶GZ曲线形状的主要因素是船舶在波浪中的垂荡运动。当船舶在横浪中作横摇运动时，垂荡的耦合作用很弱；当船舶随浪作横摇运动时，横摇和垂荡的耦合作用较大，故船舶随浪航行对GZ曲线典型形状产生影响。如果随浪航行时波速接近船速，且波长接近船长，那么将产生两种极端情况：①波峰在船中部。②波谷在船中部。
当波峰在船中部时，船舶稳性比静水中的稳性降低；当波谷在船中时，船舶稳性比在静水中的提高。纯稳性损失是造成船舶倾覆的主要原因之一。因此，研究半潜船风浪中航行的安全性和稳性规范，应该考虑波浪对船舶稳性影响。此外，半潜船遭遇大风浪大角度横摇时，由于其结构的特殊性，会出现主甲板装载货物部分结构入水的情况。货物部分结构入水，也将对稳性曲线的形状产生重大影响。
多年来，船舶在波浪中的稳性研究方面取得的理论研究成果，可以引入到半潜船航行安全性的研究中，并提出衡量半潜船波浪稳性的3点建议：①半潜船在波浪中的初稳性高必须考虑垂荡耦合运动的修正。②校核半潜船稳性时，充分考虑船舶随浪航行状态下波长接近船长时，且波峰在船中这一状态对船舶稳性曲线的影响。③校核半潜船稳性时，充分考虑货物入水对船舶稳性曲线的影响。
船舶的横摇
现行的稳性衡准是以确定性的力学分析理论对初稳性高度及静稳性曲线的某些静态特性作一些限制，其在船舶倾覆的动态特性上的不足是很明显的。
通过对横摇运动的研究，可以确定船舶倾覆的条件。在这方面最早作出贡献的是Euler，Froude和Krylov等人。Euler提出了静水中不计阻尼的船舶横摇运动方程式。Froude推导出了规则横浪上船舶横摇运动方程式。Krylov提出了著名的Froude-Krylov（傅汝德—克雷洛夫）假设。这个假设认为：船体表面水压力分布不受船舶运动的影响，浮力近似于在不受扰动的波浪中的值。Krylov在这一假设的基础上进一步发展了横摇运动理论。随着对波浪中航行状态下船舶稳性的研究，船舶横摇运动方程也得到了进一步的研究。徐德嘉和周庆根研究了非线性的单自由度横摇模型，利用Taylor级数展开和横摇激振试验方法确定了非线性横摇精确模型。林焰、纪卓尚从船舶稳定性角度出发，研究了船舶在波浪中的横摇运动，建立了单自由度的非线性横摇运动方程。Hua Jianbo计算了规则波和不规则波中巡洋舰的横摇运动性能，着重阐述了大幅横摇运动问题。
国内外这方面的研究成果很多。问题主要是不同的研究者在其非线性方程中采用了各自认为合适的非线性阻尼和恢复力系数，相互之间存在很大差别。因此正确选取阻尼和恢复力必须引起足够的重视。在研究半潜船的航行安全性时，可以借鉴其中比较成熟的理论，利用多种方法计算出半潜船的横摇振幅，取其中最大者作为衡量稳性的横倾角，然后再确定最小倾覆力臂等稳性要素。特别是利用计算机进行数值模拟，应该可以取得令人满意的结果。
船舶非线性横摇的研究已经取得很多成果，对于半潜船的横摇问题可以借鉴这些成果来帮助解决问题。可对半潜船横摇问题的提出的两点建议：①在非线性大幅横摇的性态下研究半潜船的横摇运动，应把风浪中稳性损失结合进去，从而考虑实时的扶正力矩的影响。②共振状态的横摇运动是导致半潜船倾覆的重要因素。目前以共振状态的方程系数值作为研究的出发点基本可行。但非线性大幅横摇运动是时间过程，其描述方程的系数是随时间变化的，理应考虑完全的时域方程。建议如海洋工程那样，用卷积方法建立完全时域方程进行时域分析。
随机波浪中的倾覆概率预报
在利用确定性方法研究非线性横摇导致倾覆的机理方面，已取得了长足的进展。但在风浪中船舶的倾覆问题是—个复杂的问题。除非线性外，还具有随机性。由于在实际的海洋环境中存在大量的随机因素：不规则的波浪和风，船舶与风和浪相应的速度和方向，以及货物移动等。因此，它是典型的随机事件，因而概率统计方法被引进了船舶运动及其倾覆的研究。
进行船舶倾覆概率预报，最常用的便是谱分析法。20世纪70年代初，英、美、荷、德等国海洋学者通过“北海联合计划”测得的波浪谱——Jonswap谱，国际船模试验水池会议（ITTC)推荐的波浪谱——P-M波谱，以及文氏风浪谱等。我国海洋学家文圣常教授等人从海浪的基础理论出发，参考最新科研成果，提出以峰度因子作为海浪成长状态参量的理论风浪频谱。然后推导船舶横摇运动微分方程并将其等效线性化，从而用谱分析法进行统计计算。用迭代法解等效线性化方程可以得到线性化横摇响应幅值算子，继而求得非线性横摇的谱密度和非线性横摇的方差。在确定风浪谱的基础上，再用某种概率密度函数来表示横摇极值的分布（一般设横摇服从高斯分布）。在不稳定区域内对船舶横摇极值进行积分，便可得到每次横摇的倾覆概率。
给出一个在随机横浪和非定常风的联合作用下半潜船倾覆概率的实用计算方法，是研究半潜船波浪中安全性的很好的思路。但是这种方法也存在缺陷，即只适用于阻尼为线性项的情形。对大幅横摇，不仅阻尼项包含非线性，而且特别强非线性出现在扶正力矩项上。这时即使扰动是稳态的、各态历经的，输出也不一定是稳态的、各态历经的，无法简单地推广谱分析方法对大幅非线性横摇进行预报。
大幅横摇运动理论是非线性条件下，建立在线性迭加原则基础上的谱分析方法，现有绕开平稳各态历经假设的作法过于繁杂困难，建议开展这方面的基础研究，建立一个随机非线性系统的理论。同时建议从随机风浪环境出发，发展包括非线性扰动的随机分析方法，建立具有一定工程准确度的大幅横摇导致倾覆的概率预报模型。
采用模糊数学方法进行综合评估
海上交通工程学认为，交通系统是由人—船（机）—环境三要素组成的，三要素中某一个或任意两个或三个相互作用出现问题，就可能导致交通事故。半潜船在海上航行时，其安全性涉及到众多的因素。这些因素构成了一个系统，即半潜船航行系统。系统安全评价，是对系统存在的危险性进行定性和定量分析，得出系统发生危险的可能性及其程度的评价，以寻求最低事故率，最小的损失和最优的安全投资的效果。
这种研究方法，一般是先分析评价因素，确定评价指标，然后再建立评价模型，关键是评价因素的分析和评价指标权重的获取以及评价结果隶属度的确定。对于半潜船，宜采用预先安全性分析的方法，分析半潜船在航行时的潜在危险因素和产生危险的程度，确定出影响安全的主要决定因素，建立二级模糊综合评判模型。从安全角度进行综合评价，具有较强的实际意义，基本符合半潜船在海上航行安全评估的实际需要。
前文中讨论的艉斜浪中船舶安全性评估的研究也可以应用模糊数学方法，依据船模倾覆试验的结果，形成引起船舶倾覆主要危险因素带来的危险程度的隶属函数，建立艉斜浪中操船航行发生倾覆危险的评估模型，对船舶的安全操纵和航行具有积极的指导意义。
采用模糊评估方法进行半潜船风浪中航行安全性的分析和评价是可行的，但采用这种方法评估结果的可信度取决于各项评价指标权重选取的合理性和隶属函数的合理性及其精确程度。进一步完善这种评价模型并开发安全评价的应用软件很有发展前景。